JPWO2006033403A1 - マルチアンテナ無線通信システムのシンボルタイミング検出方法 - Google Patents
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Abstract
空間分割多重OFDMシステムにおいて従来よりも計算量を大幅に減らすことができるとともに、正確なシンボルタイミングを検出することができ、容易に実現することができるマルチアンテナ無線通信システムのシンボルタイミング検出方法。この方法では、シンボルタイミング段階では、送信側は1番目のアンテナのみからタイミングトレーニング系列を送信する。受信側のシンボルタイミングには粗タイミング、高精度タイミングの段階があり、粗タイミング段階では、各アンテナの受信信号とその時間遅延の位相相関値を計算し、各アンテナ端子の相関値出力を合成して、粗タイミングウインドウを決定する。高精度タイミング段階では、受信シンボルの実部とトレーニング系列の実部のシンボルを用いて畳み込み演算を行い、各アンテナ端子の畳み込み出力を合成して複数の出力ピーク値を求め、粗タイミングウインドウ内で最後の畳み込みピーク値をサーチすることにより、シンボルの高精度タイミングを実現する。
Description
本発明は、マルチアンテナ無線通信システムのシンボルタイミング検出方法に関し、特に、マルチアンテナ構成をとる無線LANのような新世代高スループット無線LANにおけるシンボルタイミング検出方法に関する。
通信アプリケーションにおける無線LAN(WLAN)の急速な発展に伴い、ユーザーに対して高品質なサービスを提供する必要性から、より高いスループット及びネットワーク容量を有する新世代WLANの開発が求められている。近年、IEEE規格委員会は、802.11a/g規格を基礎として物理レイヤデータレート250Mbps及び実際のスループット100Mbps以上を目標とする新世代WLAN規格を制定するために、802.11nタスクグループ、すなわち高スループットタスクグループ(HTSG)を設立した。
現在のLAN規格である802.11aは、直交周波数分割多重方式(OFDM)に基づいている。当該規格のデータ伝送レートを向上させる潜在的可能性の高い技術的な手段として、送信側と受信側でマルチアンテナ技術(MIMO)を採用し、MIMOとOFDMとを結びつけたMIMO−OFDMによって、高スペクトル効率及び高データレートというMIMOの長所と周波数選択フェージング耐性というOFDMの長所とを両立させる技術が挙げられる。
ランダムアクセスプロトコルを採用したパケット交換高速WLANシステムに対し、パケット到達時間のランダム性と高レートという特徴から、あるパケットを受信してから速やかにタイミング同期を実現することが求められるが、現在MIMO−OFDMのタイミング同期の研究に関する発表は少ない。
非特許文献1に示された方法は、モノアンテナOFDMシンボルタイミングアルゴリズムを改良したものである。まず、受信信号の複素自己相関値と電力を計算し、最大標準化相関(MNC)基準を用いて粗タイミング位置を決定し、その後に受信信号とトレーニング系列との相互相関値を計算し、粗タイミング位置を中心とした一定のサーチ半径で相互相関エネルギーが最大となる位置をサーチして高精度にタイミング推定を行う。
非特許文献2に記載されたタイミング方法も粗タイミングと高精度タイミングの2段階を有する。非特許文献1との相違点として、第一に非特許文献2のトレーニング系列は変調直交系列を用いる点、第二に粗タイミング段階ではMNC基準を用いずに、受信信号の複素自己相関振幅値と電力との比率を計算して粗タイミングウインドウを決定している点が挙げられる。
しかしながら、上記いずれの方法においても、タイミング用のトレーニング系列を複数のアンテナから同時に送信し、粗タイミング段階では一定の基準に基づいて粗タイミング位置を算出し、高精度のタイミング推定段階ではいずれも粗タイミング位置を中心とした一定のサーチ半径で相互相関振幅の2乗が最大となる位置をサーチして高精度のタイミング位置とし、且つ高精度のタイミング推定段階ではロングトレーニング系列を利用する方法を用いており、容易に実現できないという問題がある。
Allert van zelst,Tim C.W.Schenk著、「MIMO OFDMに基づく無線LANシステムの実現(Implementation of a MIMO OFDM−based Wireless LAN system,IEEE Trans.SP,vol.52,no.2,pp.483−493,Feb.2004)」、IEEE Trans.SP,vol.52,no.2、2004年2月、p483〜493 A.N.Mody,G.L.Stuber著、「MIMO OFDMシステムの同期(Synchronization for MIMO OFDM systems.IEEE Global Comm.Conf.,vol.1,pp509−513,Nov.2001)」、IEEE Global Comm.Conf.,vol.1、2001年11月、p509〜513
Allert van zelst,Tim C.W.Schenk著、「MIMO OFDMに基づく無線LANシステムの実現(Implementation of a MIMO OFDM−based Wireless LAN system,IEEE Trans.SP,vol.52,no.2,pp.483−493,Feb.2004)」、IEEE Trans.SP,vol.52,no.2、2004年2月、p483〜493 A.N.Mody,G.L.Stuber著、「MIMO OFDMシステムの同期(Synchronization for MIMO OFDM systems.IEEE Global Comm.Conf.,vol.1,pp509−513,Nov.2001)」、IEEE Global Comm.Conf.,vol.1、2001年11月、p509〜513
本発明の目的は、空間分割多重OFDMシステムにおいて従来よりも計算量を大幅に減らすことができるとともに、正確なシンボルタイミングを検出することができ、容易に実現することができるマルチアンテナ無線通信システムのシンボルタイミング検出方法を提供することである。
本発明のマルチアンテナ無線通信システムのシンボルタイミング検出方法は、マルチアンテナ無線通信システムのシンボルタイミング検出方法であって、送信側は、一つのアンテナのみからタイミングトレーニング系列を送信し、受信側は、前記送信側から送信された前記タイミングトレーニング系列を複数のアンテナによって受信し、各アンテナが受信した信号と受信した前記信号の時間遅延との複素相関振幅値を計算し、各アンテナの前記複素相関振幅値出力を合成した後に、前記合成後の振幅を所定の閾値と比較して、粗タイミングウインドウを決定し、各アンテナが受信した信号のシンボル系列と前記タイミングトレーニング系列の畳み込み演算を行って、各アンテナの畳み込み出力結果を合成し、前記粗タイミングウインドウ内で最後の畳み込みピーク値をサーチして、シンボルのタイミングを検出するようにした。
また、本発明のマルチアンテナ無線通信システムのシンボルタイミング検出方法は、マルチアンテナ無線通信システムのシンボルタイミング方法であって、送信側は、一つのアンテナのみからタイミングトレーニング系列を送信し、受信側は、前記送信側から送信された信号を複数のアンテナによって受信し、各アンテナが受信した信号と受信した前記信号の時間遅延との複素相関振幅値を計算し、各アンテナの複素相関振幅値出力を合成した後に、前記合成後の振幅を所定の閾値と比較して、粗タイミングウインドウを決定し、各アンテナが受信した信号のシンボル系列の実部と前記タイミングトレーニング系列の実部の畳み込み演算を行って、各アンテナの畳み込み出力結果を合成し、前記粗タイミングウインドウ内で最後の畳み込みピーク値をサーチして、シンボルのタイミングを検出するようにした。
本発明によれば、空間分割多重OFDMシステムにおいて従来よりも計算量を大幅に減らすことができるとともに、正確なシンボルタイミングを検出することができ、容易に実現することができる。
(実施の形態)
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に述べる実施の形態は説明のためのものに過ぎず、本発明の範囲を制限するものではない。
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に述べる実施の形態は説明のためのものに過ぎず、本発明の範囲を制限するものではない。
本発明は、IEEE802.11a等のOFDM通信システムを基礎として、送信側にNt個のアンテナ、受信側にNr個のアンテナを配置したマルチアンテナシステム構成に発展させたものである。送信側のシステムでは、図1Aに示すように、シリアル/パラレル変換部101は、入力ビットストリームを多重してNt個のシンボルサブストリームにする。符号化部102は、入力ビットストリームをチャネル符号化して雑音抵抗を向上させる。インタリーバ103は、符号化出力をインタリーブ処理してビットストリームの相関性を低下させる。変調部104は、インタリーバ103の出力ビットストリームをシンボルストリームに変調する。パイロット挿入部105は、送信シンボルストリームにタイミング、チャネル推定用のパイロット系列の挿入を行う。IDFT部106は、変調シンボルストリームにNc点の離散フーリエ逆変換(IDFT)を行う。CP付加部107は、IDFT処理後のシンボルストリームに循環プリフィクス(CP)を挿入する。TX部108は、取得したOFDMベースバンドシンボルをキャリア変調した後に送信する。
受信側のシステムでは、図1Bに示すように、RX部201は、受信したOFDMキャリア信号をダウンコンバートしてベースバンドシンボルにする。時間周波数同期部202は、シンボルタイミングと周波数同期を行なう。CPシフト部203は、OFDMシンボルの循環プリフィクスを削除する。DFT部204は、Nc点の離散フーリエ変換(DFT)を行う。MIMO検出、チャネル推定、復調、デインタリーブ及び復号部205は、DFT出力に対して受信信号処理、チャネル推定、復調、デインタリーブ及び復号を行った後に情報ビットストリームに戻す。
マルチアンテナシステムにおいて、トレーニング系列(パイロット系列、プリアンブルとも称される)の設定が重要な問題となる。各送信アンテナから受信アンテナへのサブチャネルを推定するためには、異なるアンテナ間のトレーニング系列は直交またはタイムシフト直交として設定されるべきであるが、本発明ではトレーニング系列の持続時間をTpとした場合に、各アンテナが送信するトレーニング系列が時間的にTpずつずれるタイムシフト直交方式を用いる。システムトレーニング系列の全長は送信アンテナ数Ntに応じて線形に増加するため、簡略化のために、本発明ではタイミングに用いるトレーニング系列部分は第一のアンテナのみから送信されることとし、図2に示すように、アンテナ1#のt1〜t10がタイミングトレーニング系列である。
図3にIEEE802.11a規格に規定されたプリアンブルトレーニング系列のフォーマットを示す。プリアンブルトレーニング系列は、持続時間が0.8μsである10個のショートシンボル(t1〜t10)と、持続時間が3.2μsである2個のロングシンボル(T1〜T2)からなる。そのうち、ショートシンボル(t1〜t10)は自動利得制御(AGC)、シンボルタイミング、粗周波数偏差検出等に使用され、ロングシンボル(T1〜T2)はチャネル推定、高精度周波数同期に使用され、持続時間が2×0.8μsであるG12はロングシンボル循環プリフィクスである。トレーニング系列の後はデータシンボルストリームである。ショート、ロングシンボル系列の総持続時間はともに8μsで、OFDMシンボル2つ分の周期である(各OFDMシンボルの持続時間は4μs)。
IEEE802.11a規格中で定義された1つのIFFT周期内(64キャリア、持続時間3.2μs)の周波数領域ショートシンボル(長さ64)は、以下の式(1)で表される。
これは、64個のサブキャリア中の12個を用いてシンボルを送信するもので、常数SQRT(13/6)によってショート系列を標準化し、平均送信電力を1とするものである。式(1)に64点のIFFT処理を用いた後、周波数領域ショート系列を時間領域に変換する。この時間領域ショート系列(64キャリアに乗せられる)は、式(2)中の過程を4回繰り返すこと、すなわち16×4=64により得られる。
ここで、rshortはt1のように一つの時間領域ショートシンボルであり、長さは16である。rshort系列を10回繰り返すことにより、時間領域ショートシンボル系列t1〜t10全体が得られ、その長さは160であって、一つの時間領域ショートシンボル系列の長さが16であるという周期特性を有する。
本発明はこれらを基礎として以下のアルゴリズムを示す。
本発明に示すシンボルタイミング検出方法では、図4Aに示すように、受信信号の自己相関を計算して粗タイミングウインドウを求めるとともに(ステップST401)、受信信号とトレーニング系列の畳み込みを計算して出力ピーク値を求め(ステップST402)、最終的に粗タイミングウインドウで最後のピーク値をサーチしてシンボルタイミング位置を求める(ステップST403)。本発明の方法では、受信信号の自己相関計算と受信信号とトレーニング系列の畳み込み演算とは平行して処理することが可能である。一方、特許文献1に示す方法では、図4Bに示すように、受信信号の自己相関を計算する工程も受信信号とトレーニング系列の相互相関を計算する工程も存在するが、具体的な処理が異なるため、以下で詳細に分析する。
粗タイミング段階では、各受信アンテナ端子で受信シンボルとその時間遅延の自己相関を計算し、各アンテナの自己相関出力振幅を合成した後、所定の閾値と比較して粗タイミングウインドウを求める。チャネル環境の変化により、チャネル条件に従って閾値を適応的に調整する必要がある。
自己相関出力振幅値は単独のピーク値としてではなく相対的に平坦な区域として出現するため、SNRが低い場合には特に、開始サンプルを正確に判定することはできない。しかしながら、閾値の比較によって、粗タイミングウインドウすなわち相対的に平坦な区域を求めることができる。
図5Aは、本実施の形態における粗タイミングウインドウの取得を示すフロー図である。まず受信信号の自己相関を計算し(ステップST501)、マルチアンテナ受信システムの空間ダイバーシティ特性を用いて各アンテナの自己相関出力を以下の式(3)により合成する(ステップST502)。
Λは受信系列とその時間遅延のサンプルL個の複素相関として定義され、rq(n)はq番目のアンテナが受信したn個目のサンプル、NはFFTの点数(すなわち、OFDMサブキャリア数)である。Λの振幅を一定の閾値と比較して粗タイミングウインドウを求める(ステップST503)。チャネル環境の変化により、チャネル条件に従って閾値を適応的に調整する。図5Bに示すように、特許文献1の方法はまず受信信号とその時間遅延の自己相関、及び受信信号の自己相関、受信信号の電力を計算した後、最大標準化(MNC)基準を用いて粗タイミング位置を決定する。
粗タイミングシミュレーションの結果を図6A〜図7Bに示す。別途説明しないが、シミュレーション中、全てのチャネルの実現回数を100とし、各OFDMサブキャリアは1サンプルをサンプリングし、システムパラメータはIFFT、FFTの点数64、CP長さ16のようにIEEE802.11a規格に一致させ、時間遅延Lは16とする。図6A及び図6Bはフラットフェージングチャネル及び雑音を付加しない場合の自己相関振幅値を示し、図6Aは送信アンテナ2個及び受信アンテナ2個のシステムの出力、図6Bは送信アンテナ4個及び受信アンテナ4個のシステムの出力結果を示す。図7A及び図7Bはフラットフェージングチャネル及び低受信信号対雑音比環境(各アンテナの受信信号対雑音比が0dB)の自己相関振幅値を示し、図7Aは送信アンテナ2個及び受信アンテナ2個のシステムの出力、図7Bは送信アンテナ4個及び受信アンテナ4個のシステムの出力を示す。
図6A〜図7Bから理解できるように、曲線はまず一定の値まで上昇してから、サンプルN個の持続時間の間相対的に平坦となり、最後に一定の値まで低下する。雑音を付加しない場合(図6A及び図6B)は雑音を付加した場合(図7A及び図7B)よりも更に平坦になる。ここでの目的は1番目の受信サンプルから(N+CP+1)番目のサンプルの位置を検出することであり、本実施の形態の場合は(64+16+1)=81個のサンプルとなる。これらの相関出力振幅値は単独のピーク値としてではなく相対的に平坦な区域として出現するため、SNRが低い場合には特に、当該サンプルを正確に判定することはできない。しかしながら、閾値の比較によって(図6Aの閾値は1.45、図6Bの閾値は3.25と設定できる)、相対的に平坦な区域、すなわち粗タイミングウインドウを求めることができる。
これらを基礎として、以下のアルゴリズムによって高精度にタイミングの検出を実現することができる。
本発明はショート系列の周期特性を利用して、各アンテナの受信信号と一つのショートシンボルの畳み込み演算を行い、各アンテナの畳み込み結果を合成する。好ましくは、実現を容易にするために、ショート系列の実部のシンボルと受信信号の実部のみの畳み込み演算を行う。そして複数の畳み込み出力ピーク値を求める。最終的に、求めた粗タイミングウインドウを結合し、このウインドウ内で最後の畳み込み出力ピーク値をサーチすることにより、シンボルタイミング位置を正確に判定することができる。
図8Aは、本実施の形態における畳み込み処理を示すフロー図である。時間領域ショートシンボル系列の周期特性を利用して、各アンテナの受信系列と一つのショートシンボル(長さ16)の畳み込み演算を行い、同様に式(4)に示すように空間ダイバーシティ特性を用いて各アンテナの畳み込み結果を合成する。
システムの複雑化を避けるために、rshortの実部のシンボルとrq(n)のみの畳み込み演算を行う。しかしながら、本発明はこれに限らず、複素数rshortとrq(n)の畳み込み演算を行っても良い。図8Bは、従来の方法の相互相関処理のフローチャートであり、受信信号とトレーニング系列全体の相関演算を行っている。図8Aの方法と比較して、計算が複雑である。
図9A及び図9Bは、フラットフェージングチャネル及び雑音を付加しない場合の畳み込み振幅値を示し、図9Aは送信アンテナ2個及び受信アンテナ2個のシステムの出力、図9Bは送信アンテナ4個及び受信アンテナ4個のシステムの出力を示す。図10A及び図10Bは、フラットフェージングチャネル及び低受信信号対雑音比環境(各アンテナの受信信号対雑音比が0dB)の畳み込み出力振幅値(全て標準化)を示し、図10Aは送信アンテナ2個及び受信アンテナ2個のシステムの出力、図10Bは送信アンテナ4個及び受信アンテナ4個のシステムの出力を示し、ショートシンボル長さを周期として畳み込み出力ピーク値が出現していることが認められる。図9A及び図9Bと図10A及び図10Bとを比較すると、雑音を付加した後ではピーク値出力に大きな歪みが生じるため、相互相関のみを用いてタイミング位置を判定することは困難であり、自己相関結果を組み合わせる必要があることが理解できる。また、図10Aと図10Bとを比較すると、マルチ受信アンテナダイバーシティを用いることによって雑音の影響を低減できることが認められる。
最終的に、求めた粗タイミングウインドウを結合するが、図11A及び図11Bに示すように、ここではウインドウ内で最後の畳み込み出力ピーク値をサーチすれば、(N+CP+1)番目のサンプル点を正確に判定することができる。図11Aはフラットフェージングで各アンテナの受信信号対雑音比が10dB、送信アンテナ4個及び受信アンテナ4個という条件下でのシステムのシンボルタイミングの結果を示し、その粗同期閾値は3.4に設定されている。図11Bはフラットフェージングで各アンテナの受信信号対雑音比が0dB、送信アンテナ4個及び受信アンテナ4個という条件下でのシステムのシンボルタイミングの結果を示し、その粗同期閾値は3.3に設定されている。ここから、一般のチャネル環境か低信号対雑音比という条件下かにかかわらず、本発明に示す方法は正確にシンボルタイミングを検出することができることが理解できる。
以上を総合すると、本発明に示すシンボルタイミングアルゴリズムは図12のようになる。処理速度を向上させるために、本発明では自己相関(図の左側)と畳み込み演算(図12の右側)を平行して処理している。自己相関処理の際には、各アンテナの受信信号サンプルはrqであり、rqとその時間遅延Lの複素共役を取った信号を乗算して各アンテナの自己相関出力を求め、それらを合成して絶対値を取った後に、一定の閾値と比較してサーチウインドウ(粗タイミングウインドウ)を求める。畳み込み演算の際には、周波数領域のショートトレーニング系列をIFFT変換によって時間領域に変換した後、その内の一つのショートシンボルを選び出してその実部のシンボルを求め、また各アンテナの受信信号の実部を取って、両者を畳み込み演算して出力Cqを求め、各アンテナの畳み込み結果を合成することにより、出力ピーク値を求める。最後に、粗タイミングウインドウ内で最後のピーク値をサーチすることにより、システムシンボルタイミングが得られる。
本発明は以下の長所を有する。即ち、システムは一つのアンテナのみからタイミングトレーニング系列を送信するため、実現が容易である。また、粗タイミング段階では、受信信号とその時間遅延の自己相関を直接計算することにより粗タイミングウインドウを決定するのに対し、従来の方法では時間遅延の自己相関と電力とを計算した後に一定の計量基準に基づいて粗タイミング位置を算出している。本発明の方法は従来の方法と比較して受信信号電力の計算や計測基準等の計算量を省略することができる。また、高精度タイミング段階では、本発明は受信信号とトレーニング系列の畳み込み出力を計算した後に、粗タイミングウインドウにおいて最後の畳み込みピーク値をサーチしてタイミング位置を決定しているのに対し、従来の方法は粗タイミング位置を中心として一定のサーチ半径で受信シンボルとトレーニング系列の相互相関振幅の2乗が最大となる位置をサーチして高精度タイミング位置とする方法である。サーチ半径が確定していないため、異なるサーチ半径のもとでは得られるタイミング位置も異なる可能性があり、タイミング誤差を招くおそれがある。また、相互相関を計算する際に、本発明は802.11a規格のプリアンブル系列のうちショートシンボル系列の周期特性を利用して、受信信号の実部と長さ16のショートシンボル系列の実部のシンボルのみを用いて畳み込み演算を行っているのに対し、従来の方法では受信信号の実部、虚部と参照系列(長さ>16)全体の実部、虚部を用いて相関演算を行っている。本発明の方法は従来の方法と比較して実現が容易である。また、マルチアンテナシステムの空間ダイバーシティ特性を利用して、粗タイミング段階、高精度タイミング段階のいずれにおいても各アンテナの出力を合成した後に処理を行うため、雑音の影響が小さい。
上述の通り、典型的な実施の形態を示して本発明について説明した。本発明の思想の範囲から外れることなく、種々の変更、置換または追加が可能であることは、当業者にとって自明である。
本発明にかかるマルチアンテナ無線通信システムのシンボルタイミング検出方法は、特に、マルチアンテナ構成をとる無線LANのような新世代高スループット無線LANに好適である。
本発明は、マルチアンテナ無線通信システムのシンボルタイミング検出方法に関し、特に、マルチアンテナ構成をとる無線LANのような新世代高スループット無線LANにおけるシンボルタイミング検出方法に関する。
通信アプリケーションにおける無線LAN(WLAN)の急速な発展に伴い、ユーザーに対して高品質なサービスを提供する必要性から、より高いスループット及びネットワーク容量を有する新世代WLANの開発が求められている。近年、IEEE規格委員会は、802.11a/g規格を基礎として物理レイヤデータレート250Mbps及び実際のスループット100Mbps以上を目標とする新世代WLAN規格を制定するために、802.11nタスクグループ、すなわち高スループットタスクグループ(HTSG)を設立した。
現在のLAN規格である802.11aは、直交周波数分割多重方式(OFDM)に基づいている。当該規格のデータ伝送レートを向上させる潜在的可能性の高い技術的な手段として、送信側と受信側でマルチアンテナ技術(MIMO)を採用し、MIMOとOFDMとを結びつけたMIMO−OFDMによって、高スペクトル効率及び高データレートというMIMOの長所と周波数選択フェージング耐性というOFDMの長所とを両立させる技術が挙げられる。
ランダムアクセスプロトコルを採用したパケット交換高速WLANシステムに対し、パケット到達時間のランダム性と高レートという特徴から、あるパケットを受信してから速やかにタイミング同期を実現することが求められるが、現在MIMO−OFDMのタイミング同期の研究に関する発表は少ない。
非特許文献1に示された方法は、モノアンテナOFDMシンボルタイミングアルゴリズムを改良したものである。まず、受信信号の複素自己相関値と電力を計算し、最大標準化相関(MNC)基準を用いて粗タイミング位置を決定し、その後に受信信号とトレーニング系列との相互相関値を計算し、粗タイミング位置を中心とした一定のサーチ半径で相互相関エネルギーが最大となる位置をサーチして高精度にタイミング推定を行う。
非特許文献2に記載されたタイミング方法も粗タイミングと高精度タイミングの2段階を有する。非特許文献1との相違点として、第一に非特許文献2のトレーニング系列は変調直交系列を用いる点、第二に粗タイミング段階ではMNC基準を用いずに、受信信号の複素自己相関振幅値と電力との比率を計算して粗タイミングウインドウを決定している点が挙げられる。
しかしながら、上記いずれの方法においても、タイミング用のトレーニング系列を複数のアンテナから同時に送信し、粗タイミング段階では一定の基準に基づいて粗タイミング位置を算出し、高精度のタイミング推定段階ではいずれも粗タイミング位置を中心とした一定のサーチ半径で相互相関振幅の2乗が最大となる位置をサーチして高精度のタイミング位置とし、且つ高精度のタイミング推定段階ではロングトレーニング系列を利用する方法を用いており、容易に実現できないという問題がある。
Allert van zelst,Tim C.W.Schenk著、「MIMO OFDMに基づく無線LANシステムの実現(Implementation of a MIMO OFDM−based Wireless LAN system, IEEE Trans. SP, vol.52, no.2,pp.483−493, Feb. 2004)」、IEEE Trans. SP, vol.52, no.2、2004年2月、p483〜493 A.N.Mody,G.L.Stuber著、「MIMO OFDMシステムの同期(Synchronization for MIMO OFDM systems. IEEE Global Comm. Conf., vol.1, pp509−513, Nov. 2001)」、IEEE Global Comm.Conf.,vol.1、2001年11月、p509〜513
Allert van zelst,Tim C.W.Schenk著、「MIMO OFDMに基づく無線LANシステムの実現(Implementation of a MIMO OFDM−based Wireless LAN system, IEEE Trans. SP, vol.52, no.2,pp.483−493, Feb. 2004)」、IEEE Trans. SP, vol.52, no.2、2004年2月、p483〜493 A.N.Mody,G.L.Stuber著、「MIMO OFDMシステムの同期(Synchronization for MIMO OFDM systems. IEEE Global Comm. Conf., vol.1, pp509−513, Nov. 2001)」、IEEE Global Comm.Conf.,vol.1、2001年11月、p509〜513
本発明の目的は、空間分割多重OFDMシステムにおいて従来よりも計算量を大幅に減らすことができるとともに、正確なシンボルタイミングを検出することができ、容易に実現することができるマルチアンテナ無線通信システムのシンボルタイミング検出方法を提供することである。
本発明のマルチアンテナ無線通信システムのシンボルタイミング検出方法は、マルチアンテナ無線通信システムのシンボルタイミング検出方法であって、送信側は、一つのアンテナのみからタイミングトレーニング系列を送信し、受信側は、前記送信側から送信された前記タイミングトレーニング系列を複数のアンテナによって受信し、各アンテナが受信した信号と受信した前記信号の時間遅延との複素相関振幅値を計算し、各アンテナの前記複素相関振幅値出力を合成した後に、前記合成後の振幅を所定の閾値と比較して、粗タイミングウインドウを決定し、各アンテナが受信した信号のシンボル系列と前記タイミングトレーニング系列の畳み込み演算を行って、各アンテナの畳み込み出力結果を合成し、前記粗タイミングウインドウ内で最後の畳み込みピーク値をサーチして、シンボルのタイミングを検出するようにした。
また、本発明のマルチアンテナ無線通信システムのシンボルタイミング検出方法は、マルチアンテナ無線通信システムのシンボルタイミング方法であって、送信側は、一つのアンテナのみからタイミングトレーニング系列を送信し、受信側は、前記送信側から送信された信号を複数のアンテナによって受信し、各アンテナが受信した信号と受信した前記信号の時間遅延との複素相関振幅値を計算し、各アンテナの複素相関振幅値出力を合成した後に、前記合成後の振幅を所定の閾値と比較して、粗タイミングウインドウを決定し、各アンテナが受信した信号のシンボル系列の実部と前記タイミングトレーニング系列の実部の畳み込み演算を行って、各アンテナの畳み込み出力結果を合成し、前記粗タイミングウインドウ内で最後の畳み込みピーク値をサーチして、シンボルのタイミングを検出するようにした。
本発明によれば、空間分割多重OFDMシステムにおいて従来よりも計算量を大幅に減らすことができるとともに、正確なシンボルタイミングを検出することができ、容易に実現することができる。
(実施の形態)
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に述べる実施の形態は説明のためのものに過ぎず、本発明の範囲を制限するものではない。
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に述べる実施の形態は説明のためのものに過ぎず、本発明の範囲を制限するものではない。
本発明は、IEEE802.11a等のOFDM通信システムを基礎として、送信側にNt個のアンテナ、受信側にNr個のアンテナを配置したマルチアンテナシステム構成に発展させたものである。送信側のシステムでは、図1Aに示すように、シリアル/パラレル変換部101は、入力ビットストリームを多重してNt個のシンボルサブストリームにする。符号化部102は、入力ビットストリームをチャネル符号化して雑音抵抗を向上させる。インタリーバ103は、符号化出力をインタリーブ処理してビットストリームの相関性を低下させる。変調部104は、インタリーバ103の出力ビットストリームをシンボルストリームに変調する。パイロット挿入部105は、送信シンボルストリームにタイミング、チャネル推定用のパイロット系列の挿入を行う。IDFT部106は、変調シンボルストリームにNc点の離散フーリエ逆変換(IDFT)を行う。CP付加部107は、IDFT処理後のシンボルストリームに循環プリフィクス(CP)を挿入する。TX部108は、取得したOFDMベースバンドシンボルをキャリア変調した後に送信する。
受信側のシステムでは、図1Bに示すように、RX部201は、受信したOFDMキャリア信号をダウンコンバートしてベースバンドシンボルにする。時間周波数同期部202は、シンボルタイミングと周波数同期を行なう。CPシフト部203は、OFDMシンボルの循環プリフィクスを削除する。DFT部204は、Nc点の離散フーリエ変換(DFT)を行う。MIMO検出、チャネル推定、復調、デインタリーブ及び復号部205は、DFT出力に対して受信信号処理、チャネル推定、復調、デインタリーブ及び復号を行った後に情報ビットストリームに戻す。
マルチアンテナシステムにおいて、トレーニング系列(パイロット系列、プリアンブル
とも称される)の設定が重要な問題となる。各送信アンテナから受信アンテナへのサブチャネルを推定するためには、異なるアンテナ間のトレーニング系列は直交またはタイムシフト直交として設定されるべきであるが、本発明ではトレーニング系列の持続時間をTpとした場合に、各アンテナが送信するトレーニング系列が時間的にTpずつずれるタイムシフト直交方式を用いる。システムトレーニング系列の全長は送信アンテナ数Ntに応じて線形に増加するため、簡略化のために、本発明ではタイミングに用いるトレーニング系列部分は第一のアンテナのみから送信されることとし、図2に示すように、アンテナ1#のt1〜t10がタイミングトレーニング系列である。
とも称される)の設定が重要な問題となる。各送信アンテナから受信アンテナへのサブチャネルを推定するためには、異なるアンテナ間のトレーニング系列は直交またはタイムシフト直交として設定されるべきであるが、本発明ではトレーニング系列の持続時間をTpとした場合に、各アンテナが送信するトレーニング系列が時間的にTpずつずれるタイムシフト直交方式を用いる。システムトレーニング系列の全長は送信アンテナ数Ntに応じて線形に増加するため、簡略化のために、本発明ではタイミングに用いるトレーニング系列部分は第一のアンテナのみから送信されることとし、図2に示すように、アンテナ1#のt1〜t10がタイミングトレーニング系列である。
図3にIEEE802.11a規格に規定されたプリアンブルトレーニング系列のフォーマットを示す。プリアンブルトレーニング系列は、持続時間が0.8μsである10個のショートシンボル(t1〜t10)と、持続時間が3.2μsである2個のロングシンボル(T1〜T2)からなる。そのうち、ショートシンボル(t1〜t10)は自動利得制御(AGC)、シンボルタイミング、粗周波数偏差検出等に使用され、ロングシンボル(T1〜T2)はチャネル推定、高精度周波数同期に使用され、持続時間が2×0.8μsであるG12はロングシンボル循環プリフィクスである。トレーニング系列の後はデータシンボルストリームである。ショート、ロングシンボル系列の総持続時間はともに8μsで、OFDMシンボル2つ分の周期である(各OFDMシンボルの持続時間は4μs)。
IEEE802.11a規格中で定義された1つのIFFT周期内(64キャリア、持続時間3.2μs)の周波数領域ショートシンボル(長さ64)は、以下の式(1)で表される。
これは、64個のサブキャリア中の12個を用いてシンボルを送信するもので、常数SQRT(13/6)によってショート系列を標準化し、平均送信電力を1とするものである。式(1)に64点のIFFT処理を用いた後、周波数領域ショート系列を時間領域に変換する。この時間領域ショート系列(64キャリアに乗せられる)は、式(2)中の過程を4回繰り返すこと、すなわち16×4=64により得られる。
ここで、rshortはt1のように一つの時間領域ショートシンボルであり、長さは16である。rshort系列を10回繰り返すことにより、時間領域ショートシンボル系列t1〜t10全体が得られ、その長さは160であって、一つの時間領域ショートシンボル系列の長さが16であるという周期特性を有する。
本発明はこれらを基礎として以下のアルゴリズムを示す。
本発明に示すシンボルタイミング検出方法では、図4Aに示すように、受信信号の自己相関を計算して粗タイミングウインドウを求めるとともに(ステップST401)、受信信号とトレーニング系列の畳み込みを計算して出力ピーク値を求め(ステップST402)、最終的に粗タイミングウインドウで最後のピーク値をサーチしてシンボルタイミング位置を求める(ステップST403)。本発明の方法では、受信信号の自己相関計算と受信信号とトレーニング系列の畳み込み演算とは平行して処理することが可能である。一方、特許文献1に示す方法では、図4Bに示すように、受信信号の自己相関を計算する工程も受信信号とトレーニング系列の相互相関を計算する工程も存在するが、具体的な処理が異なるため、以下で詳細に分析する。
粗タイミング段階では、各受信アンテナ端子で受信シンボルとその時間遅延の自己相関を計算し、各アンテナの自己相関出力振幅を合成した後、所定の閾値と比較して粗タイミングウインドウを求める。チャネル環境の変化により、チャネル条件に従って閾値を適応的に調整する必要がある。
自己相関出力振幅値は単独のピーク値としてではなく相対的に平坦な区域として出現するため、SNRが低い場合には特に、開始サンプルを正確に判定することはできない。しかしながら、閾値の比較によって、粗タイミングウインドウすなわち相対的に平坦な区域を求めることができる。
図5Aは、本実施の形態における粗タイミングウインドウの取得を示すフロー図である。まず受信信号の自己相関を計算し(ステップST501)、マルチアンテナ受信システムの空間ダイバーシティ特性を用いて各アンテナの自己相関出力を以下の式(3)により合成する(ステップST502)。
Λは受信系列とその時間遅延のサンプルL個の複素相関として定義され、rq(n)はq番目のアンテナが受信したn個目のサンプル、NはFFTの点数(すなわち、OFDMサブキャリア数)である。Λの振幅を一定の閾値と比較して粗タイミングウインドウを求める(ステップST503)。チャネル環境の変化により、チャネル条件に従って閾値を適応的に調整する。図5Bに示すように、特許文献1の方法はまず受信信号とその時間遅延の自己相関、及び受信信号の自己相関、受信信号の電力を計算した後、最大標準化(MNC)基準を用いて粗タイミング位置を決定する。
粗タイミングシミュレーションの結果を図6A〜図7Bに示す。別途説明しないが、シミュレーション中、全てのチャネルの実現回数を100とし、各OFDMサブキャリアは1サンプルをサンプリングし、システムパラメータはIFFT、FFTの点数64、CP長さ16のようにIEEE802.11a規格に一致させ、時間遅延Lは16とする。図6A及び図6Bはフラットフェージングチャネル及び雑音を付加しない場合の自己相関振幅値を示し、図6Aは送信アンテナ2個及び受信アンテナ2個のシステムの出力、図6Bは送信アンテナ4個及び受信アンテナ4個のシステムの出力結果を示す。図7A及び図7Bはフラットフェージングチャネル及び低受信信号対雑音比環境(各アンテナの受信信号対雑音比が0dB)の自己相関振幅値を示し、図7Aは送信アンテナ2個及び受信アンテナ2個のシステムの出力、図7Bは送信アンテナ4個及び受信アンテナ4個のシステムの出力を示す。
図6A〜図7Bから理解できるように、曲線はまず一定の値まで上昇してから、サンプルN個の持続時間の間相対的に平坦となり、最後に一定の値まで低下する。雑音を付加しない場合(図6A及び図6B)は雑音を付加した場合(図7A及び図7B)よりも更に平坦になる。ここでの目的は1番目の受信サンプルから(N+CP+1)番目のサンプルの位置を検出することであり、本実施の形態の場合は(64+16+1)=81個のサンプルとなる。これらの相関出力振幅値は単独のピーク値としてではなく相対的に平坦な区域として出現するため、SNRが低い場合には特に、当該サンプルを正確に判定することはできない。しかしながら、閾値の比較によって(図6Aの閾値は1.45、図6Bの閾値は3.25と設定できる)、相対的に平坦な区域、すなわち粗タイミングウインドウを求めることができる。
これらを基礎として、以下のアルゴリズムによって高精度にタイミングの検出を実現することができる。
本発明はショート系列の周期特性を利用して、各アンテナの受信信号と一つのショートシンボルの畳み込み演算を行い、各アンテナの畳み込み結果を合成する。好ましくは、実現を容易にするために、ショート系列の実部のシンボルと受信信号の実部のみの畳み込み演算を行う。そして複数の畳み込み出力ピーク値を求める。最終的に、求めた粗タイミングウインドウを結合し、このウインドウ内で最後の畳み込み出力ピーク値をサーチすることにより、シンボルタイミング位置を正確に判定することができる。
図8Aは、本実施の形態における畳み込み処理を示すフロー図である。時間領域ショートシンボル系列の周期特性を利用して、各アンテナの受信系列と一つのショートシンボル(長さ16)の畳み込み演算を行い、同様に式(4)に示すように空間ダイバーシティ特性を用いて各アンテナの畳み込み結果を合成する。
システムの複雑化を避けるために、rshortの実部のシンボルとrq(n)のみの畳み込み演算を行う。しかしながら、本発明はこれに限らず、複素数rshortとrq(n)の畳み込み演算を行っても良い。図8Bは、従来の方法の相互相関処理のフローチャートであり、受信信号とトレーニング系列全体の相関演算を行っている。図8Aの方法と比較して、計算が複雑である。
図9A及び図9Bは、フラットフェージングチャネル及び雑音を付加しない場合の畳み込み振幅値を示し、図9Aは送信アンテナ2個及び受信アンテナ2個のシステムの出力、図9Bは送信アンテナ4個及び受信アンテナ4個のシステムの出力を示す。図10A及び図10Bは、フラットフェージングチャネル及び低受信信号対雑音比環境(各アンテナの受信信号対雑音比が0dB)の畳み込み出力振幅値(全て標準化)を示し、図10Aは送信アンテナ2個及び受信アンテナ2個のシステムの出力、図10Bは送信アンテナ4個及び受信アンテナ4個のシステムの出力を示し、ショートシンボル長さを周期として畳み込み出力ピーク値が出現していることが認められる。図9A及び図9Bと図10A及び図10Bとを比較すると、雑音を付加した後ではピーク値出力に大きな歪みが生じるため、相互相関のみを用いてタイミング位置を判定することは困難であり、自己相関結果を組み合わせる必要があることが理解できる。また、図10Aと図10Bとを比較すると、マルチ
受信アンテナダイバーシティを用いることによって雑音の影響を低減できることが認められる。
受信アンテナダイバーシティを用いることによって雑音の影響を低減できることが認められる。
最終的に、求めた粗タイミングウインドウを結合するが、図11A及び図11Bに示すように、ここではウインドウ内で最後の畳み込み出力ピーク値をサーチすれば、(N+CP+1)番目のサンプル点を正確に判定することができる。図11Aはフラットフェージングで各アンテナの受信信号対雑音比が10dB、送信アンテナ4個及び受信アンテナ4個という条件下でのシステムのシンボルタイミングの結果を示し、その粗同期閾値は3.4に設定されている。図11Bはフラットフェージングで各アンテナの受信信号対雑音比が0dB、送信アンテナ4個及び受信アンテナ4個という条件下でのシステムのシンボルタイミングの結果を示し、その粗同期閾値は3.3に設定されている。ここから、一般のチャネル環境か低信号対雑音比という条件下かにかかわらず、本発明に示す方法は正確にシンボルタイミングを検出することができることが理解できる。
以上を総合すると、本発明に示すシンボルタイミングアルゴリズムは図12のようになる。処理速度を向上させるために、本発明では自己相関(図の左側)と畳み込み演算(図12の右側)を平行して処理している。自己相関処理の際には、各アンテナの受信信号サンプルはrqであり、rqとその時間遅延Lの複素共役を取った信号を乗算して各アンテナの自己相関出力を求め、それらを合成して絶対値を取った後に、一定の閾値と比較してサーチウインドウ(粗タイミングウインドウ)を求める。畳み込み演算の際には、周波数領域のショートトレーニング系列をIFFT変換によって時間領域に変換した後、その内の一つのショートシンボルを選び出してその実部のシンボルを求め、また各アンテナの受信信号の実部を取って、両者を畳み込み演算して出力Cqを求め、各アンテナの畳み込み結果を合成することにより、出力ピーク値を求める。最後に、粗タイミングウインドウ内で最後のピーク値をサーチすることにより、システムシンボルタイミングが得られる。
本発明は以下の長所を有する。即ち、システムは一つのアンテナのみからタイミングトレーニング系列を送信するため、実現が容易である。また、粗タイミング段階では、受信信号とその時間遅延の自己相関を直接計算することにより粗タイミングウインドウを決定するのに対し、従来の方法では時間遅延の自己相関と電力とを計算した後に一定の計量基準に基づいて粗タイミング位置を算出している。本発明の方法は従来の方法と比較して受信信号電力の計算や計測基準等の計算量を省略することができる。また、高精度タイミング段階では、本発明は受信信号とトレーニング系列の畳み込み出力を計算した後に、粗タイミングウインドウにおいて最後の畳み込みピーク値をサーチしてタイミング位置を決定しているのに対し、従来の方法は粗タイミング位置を中心として一定のサーチ半径で受信シンボルとトレーニング系列の相互相関振幅の2乗が最大となる位置をサーチして高精度タイミング位置とする方法である。サーチ半径が確定していないため、異なるサーチ半径のもとでは得られるタイミング位置も異なる可能性があり、タイミング誤差を招くおそれがある。また、相互相関を計算する際に、本発明は802.11a規格のプリアンブル系列のうちショートシンボル系列の周期特性を利用して、受信信号の実部と長さ16のショートシンボル系列の実部のシンボルのみを用いて畳み込み演算を行っているのに対し、従来の方法では受信信号の実部、虚部と参照系列(長さ>16)全体の実部、虚部を用いて相関演算を行っている。本発明の方法は従来の方法と比較して実現が容易である。また、マルチアンテナシステムの空間ダイバーシティ特性を利用して、粗タイミング段階、高精度タイミング段階のいずれにおいても各アンテナの出力を合成した後に処理を行うため、雑音の影響が小さい。
上述の通り、典型的な実施の形態を示して本発明について説明した。本発明の思想の範囲から外れることなく、種々の変更、置換または追加が可能であることは、当業者にとって自明である。
本発明にかかるマルチアンテナ無線通信システムのシンボルタイミング検出方法は、特に、マルチアンテナ構成をとる無線LANのような新世代高スループット無線LANに好適である。
Claims (8)
- マルチアンテナ無線通信システムのシンボルタイミング検出方法であって、
送信側は、一つのアンテナのみからタイミングトレーニング系列を送信し、
受信側は、前記送信側から送信された信号を複数のアンテナによって受信し、各アンテナが受信した信号と受信した前記信号の時間遅延との複素相関振幅値を計算し、各アンテナの前記複素相関振幅値出力を合成した後に、前記合成後の振幅を所定の閾値と比較して、粗タイミングウインドウを決定し、各アンテナが受信した信号のシンボル系列と前記タイミングトレーニング系列の畳み込み演算を行って、各アンテナの畳み込み出力結果を合成し、前記粗タイミングウインドウ内で最後の畳み込みピーク値をサーチして、シンボルのタイミングを検出するマルチアンテナ無線通信システムのシンボルタイミング検出方法。 - 前記タイミングトレーニング系列はショートシンボル系列である請求項1記載のマルチアンテナ無線通信システムのシンボルタイミング検出方法。
- チャネル条件に基づいて前記所定の閾値を適応的に調整する請求項1記載のマルチアンテナ無線通信システムのシンボルタイミング検出方法。
- 前記マルチアンテナ無線通信システムは空間分割多重方式を用いたマルチアンテナ直交周波数分割多重システムである請求項1記載のマルチアンテナ無線通信システムのシンボルタイミング検出方法。
- マルチアンテナ無線通信システムのシンボルタイミング方法であって、
送信側は、一つのアンテナのみからタイミングトレーニング系列を送信し、
受信側は、前記送信側から送信された信号を複数のアンテナによって受信し、各アンテナが受信した信号と受信した前記信号の時間遅延との複素相関振幅値を計算し、各アンテナの複素相関振幅値出力を合成した後に、前記合成後の振幅を所定の閾値と比較して、粗タイミングウインドウを決定し、各アンテナが受信した信号のシンボル系列の実部と前記タイミングトレーニング系列の実部の畳み込み演算を行って、各アンテナの畳み込み出力結果を合成し、前記粗タイミングウインドウ内で最後の畳み込みピーク値をサーチして、シンボルのタイミングを検出するマルチアンテナ無線通信システムのシンボルタイミング検出方法。 - 前記タイミングトレーニング系列はショートシンボル系列である請求項5記載のマルチアンテナ無線通信システムのシンボルタイミング検出方法。
- チャネル条件に基づいて前記所定の閾値を適応的に調整する請求項5記載のマルチアンテナ無線通信システムのシンボルタイミング検出方法。
- 前記マルチアンテナ無線通信システムは空間分割多重方式を用いたマルチアンテナ直交周波数分割多重システムである請求項5記載のマルチアンテナ無線通信システムのシンボルタイミング検出方法。
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